基于脈沖編碼控制的開關轉換器 電磁干擾減低研究

楊建宇(沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

近年來，信息和通信設備以及個人計算機被廣泛使用。作為電子系統的核心，開關器件中所采用的半導體開關器件的開關變化產生的噪聲非常突出，由此引起的電磁干擾(EMI)問題會使系統無法滿足電磁兼容標準規范要求，乃至開關器件不能正常工作，并且對其他電路器件造成影響。開關電源設備因為其電路當中的整流電路、高頻變壓器和整流二極管等一些元件在工作中會出現瞬變的高電壓及大電流，由于這些元件中電壓和電流的突然變化，開關電源已成為高頻干擾源，導致系統中存在許多電磁兼容性問題[1]。

如果在電源內部形成電磁干擾，會直接輻射到其他線路，將不可避免地導致電網和其他電氣設施的故障，影響運營質量。與此同時，電磁輻射會對周圍環境造成破壞，危害動植物和人類健康，也容易引起動植物基因突變而導致不良的健康后果，甚至危及生命。此外，電磁輻射對人體中心神經系統也會造成極大影響，導致人體出現神經系統紊亂等癥狀[2]。

由于開關電源的重要性和特殊性，被列為我國首批實施進出口電磁兼容強制監管的六大產品之一。因此，解決開關電源的電磁兼容問題是促進開關電源應用和發展的重要措施。眾所周知，電磁兼容性研究中有這么一個公式EMC=EMS+EMI，所以要想解決電磁兼容性問題，首先要解決電磁干擾。EMI 噪聲包括發射到空氣中的電磁噪聲和輸入電流線中的傳導噪聲[3]。

降低開關轉換器中的噪聲是目前生產中需要解決的關鍵問題。降低開關轉換器中的噪聲有很多方法，例如對噪聲進行濾波和屏蔽，但是這種方法存在實際費用較高，電路復雜的缺點。在本文中，我們針對脈沖編碼調制(PWM)的開關轉換器提出了有效的EMI減低方法，首先對基本降壓轉換器進行仿真分析，得到控制電路波形及仿真頻譜，基本降壓轉換器不經過降噪處理系統噪聲很大，而EMI減低是本文討論和解決的主要目的。我們對控制電路進行改進，控制部分采用擴展頻譜時鐘技術得到相應控制電路波形和頻譜，之后將電源部分替換成SEPIC電路，實現了升降壓轉換器的電磁干擾減低得到的結果實現了我們最終實驗目的。

本文我們將采用LTspice仿真軟件對以上提及的基本降壓轉換電路，運用擴頻時鐘技術的降壓轉換電路和SEPIC轉換器電路進行仿真處理。

1 傳統降壓型開關轉換器

1.1 基本降壓型開關轉換器

圖1為使用脈沖寬度調制(PWM)方法的基本降壓型開關轉換器。基本降壓型開關轉換器由功率級、控制級和負載電阻組成。功率級由主功率開關SW、電感L、續流二極管D和電容C組成。控制級由運算放大器(OP-amp)、參考電壓源Vr、比較器和鋸齒生成器組成。

圖1 基于PWM控制的基本降壓轉換器原理圖

SW由比較器提供的 PWM 脈沖控制。當 SW 為ON模式時(PWM 脈沖為 High 模式)，電感電流Ion從電源V1(電壓為Vi)流入C和R并稍微增加，使輸出電壓Vo上升。當PWM為Low且SW為OFF模式時，Ioff流經D，并減小使Vo下降。輸出電壓Vo與Vr比較并放大得到放大誤差電壓ΔV。將此ΔV與鋸齒信號SAW進行比較以產生PWM 脈沖。

基本降壓轉換器的仿真參數為：輸入電壓12 V，輸出電壓5 V，輸出電流2 A，開關頻率100 kHz,電感100 μH。降壓型轉換器的電壓轉換比M等于式(1)的PWM脈沖的占空比：

隨著大功率開關信號速度的增加，會產生較大的噪聲。降壓型開關轉換器中的PWM信號頻譜如圖2所示，在開關頻率0.2 MHz、0.3 MHz、0.4 MHz……等位置各對應一個峰值6 dB、10 dB、5 dB……代表此處噪聲值。圖2說明信號輸出端的頻譜峰值(噪聲值)很高，所以我們采用擴展頻譜時鐘技術降低噪聲。

圖2 基于PWM控制的基本降壓轉換器的驅動頻譜

2 擴展頻譜時鐘技術降低峰值噪聲

開關轉換器中，占空比影響輸出電壓。占空比在系統穩態工作狀態下保持恒定，而電磁干擾產生于開關的開通和關斷瞬間，由于電磁干擾出現的間隔和開關頻率始終保持一致，因此此時出現的噪聲為開關頻率的諧波。這些噪聲的能量集中出現在特定的頻率上，并表現出較大的頻譜峰值。若能把這些能量分散在較寬的頻帶上，則能夠達到噪聲值減低的目的，這就是頻率控制的思想。

擴展頻譜時鐘技術是通過頻率調制的手段把集中在窄頻帶范圍內的能量分散到設定的寬頻帶范圍，通過降低時鐘在基頻和奇次諧波頻率的幅度(能量)，達到降低系統電磁輻射峰值的目的。所以為了降低時鐘噪聲，考慮在圖1中通過改變時鐘頻率來使用時鐘脈沖調制擴展頻譜，如圖3所示。

圖3 擴頻時鐘技術Buck電路原理圖

要在LTspice中仿真擴頻降壓型轉換電路，關鍵是VCO的模型，在LTspcie中沒有現成的VCO模型，首先就需要建模，其中VCO的輸出頻率Fck由式(2)表示：

VCO模型中的幾個參數分別代表的含義為：Fcenter為VCO的中心頻率點；Frange為頻率的變化范圍；Vmin為最低的輸入電壓；Vmax為最大的輸入電壓；phase為相位。按照參數設定，就是在輸入電壓小于等于1 V時，VCO產生的三角波的頻率為80 kHz，在輸入電壓1～5 V之間時，頻率隨輸入電壓線性變化，1 V 時對應最低頻率點80 kHz，3 V時對應中心頻率點100 kHz, 5 V時對應最高頻率點120 kHz，輸入電壓大于5 V時，VCO的輸入電壓保持最高頻率120 kHz。

對該模型進行仿真，得到如圖4通過時鐘調制的PWM信號頻譜。由于時鐘頻率1 MHz的能量及其高頻諧波會擴散到其他頻率，因此時鐘頻譜的峰值水平可以減低，這就是利用擴展頻譜時鐘技術減低電磁干擾的一種方法。

圖4 擴展頻譜時鐘技術Buck電路頻譜

對比圖2和圖4頻譜來看，相比于普通的基本Buck轉換器，采用擴展頻譜時鐘技術的驅動電路的頻譜比基本Buck拓撲的幅值低，基波頻率基本上低了10 dB左右。

3 SEPIC變換器中的EMI噪聲抑制

在汽車應用中，汽車器件的輸入功率波動較大。因此，汽車裝置的電源電路需要支持寬范圍的輸入電壓。Buck-Boost轉換器是一種處理大范圍輸入電壓的方法。在該方案中，將擴展頻譜時鐘技術應用于復合Buck-Boost轉換器：SEPIC轉換器，以降低EMI噪聲。SEPIC轉換器是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DC-DC變換器。SEPIC轉換器電路原理圖如圖5所示。

前面首先對基本Buck電路的PWM控制做出了仿真，在圖2中可以看出，在頻率0.2 MHz開始每間隔0.1 MHz都顯示出很高的噪聲值，其后，對控制電路部分采用線性掃描技術，得到結果圖4，可以看出噪聲值降低了10 dB左右，接下來將基本Buck電路的電源部分替換成SEPIC電路作為參考，并進行仿真。如圖5所示，將基本Buck電路的電源部分替換成SEPIC電路，前面將基本Buck電路的控制部分加入壓控振蕩器實現對控制電路改裝，利用擴展頻譜技術對電路進行了仿真，所以下面在不變動控制電路的基礎上，改變電源部分電路，進行仿真分析，仿真結果如圖6所示。

圖5 SEPIC變換器電路原理圖

如圖6所示，從頻率0.2 MHz開始，每增加0.1 MHz對應的頻譜峰值(噪聲值)為-4.0 dB、-3.0 dB、0.8 dB……從仿真頻譜可以看出單一將電源電路替換成SEPIC轉換器電路對噪聲達到的減低效果有限，下面將電源部分電路替換成SEPIC電路，在控制部分加入壓控振蕩器，采用擴展頻譜時鐘技術對電路進行進一步的仿真，若得到的仿真結果相比僅改變電源電路的對照組有明顯的噪聲減低，說明本文提出的EMI減低方法可行。如圖7所示為擴頻SEPIC仿真圖。

圖6 SEPIC變換器電路仿真頻譜圖

圖7 擴頻SEPIC轉換器電路仿真圖

如圖7所示，將電源電路替換成了SEPIC變換器，并對控制部分采用了擴頻時鐘技術，其仿真結果如圖8所示。

如圖8所示，從頻率0.2 MHz開始，每增加0.1 MHz對應的頻譜峰值(噪聲值)為-10 dB、-10 dB、-6 dB……由此可見，將電源電路替換成SEPIC轉換器電路并對控制部分進行擴展頻譜時鐘技術之后，SEPIC轉換器的擴頻驅動電路相比對照組SEPIC轉換器電路的EMI減低效果更好，相比基本BUCK電路，有效降低了系統噪音，達到實驗目的。

圖8 擴頻SEPIC轉換器電路仿真頻譜

3 結語

綜上圖2、圖4、圖6、圖8所示，對于EMI減低，先對基本降壓轉換電路進行了仿真，從得到的結果可知基本降壓轉換電路存在噪聲值大的缺點，這對日常生產生活造成很大影響。之后以相同參數采用線性掃描技術對基本Buck電路控制部分進行改造，得到結論為采用擴展頻譜時鐘技術的降壓轉換電路的頻譜比基本降壓轉換電路的幅值低，基波頻率基本上低了10 dB左右。通過仿真可知線性掃描技術對基本降壓轉換電路的EMI減低有明顯效果。隨后保持參數不變，對基本降壓轉換電路的電源部分進行替換，替換成SEPIC轉換器電路后的結果顯示，基本SEPIC轉換器對基本降壓轉換電路的EMI減低效果有限。最后將電源部分替換成SEPIC轉換器，控制電路采用擴頻時鐘技術，同樣采用相同參數進行仿真，得到仿真結果可以看出相比基本SEPIC轉換器電路，有效降低了幅值，達到減低系統噪聲的實驗目的。